Themenbeschreibung

Teilchenbeschleuniger wie die Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II, betrieben vom Helmholtz-Zentrum in Berlin-Adlershof, spielen eine wichtige Rolle bei der Grundlagenforschung. So ermöglichen derartige Quellen die Untersuchung und Weiterentwicklung von Solarzellen, von Katalysatoren für grünen Wasserstoff oder von Batterien.

Die Wechselwirkung von Strahlen geladener Teilchen mit der Vakuumkammer von Teilchenbeschleunigern wird im Frequenzbereich typischerweise durch die komplexwertige und frequenzabhängige Strahlkoppelimpedanz beschrieben. Die möglichst breitbandige Kenntnis der Strahlkoppelimpedanzen von Teilchenbeschleunigerkomponenten ist dabei von entscheidender Bedeutung, z. B. um Strahlinstabilitäten oder eine zu hohe (lokale) thermische Belastung der Komponenten zu vermeiden.

Sowohl die computergestützte Berechnung als auch das Vermessen von breitbandigen Strahlkoppelimpedanzen im Labor ist immer noch eine Herausforderung. Am Helmholtz-Zentrum Berlin ist von der Undulatorenabteilung ein Teststand zur Vermessung von Undulatoren aufgebaut worden [1]. Undulatoren kann man sich vereinfacht als große Permanentmagneten mit periodisch wechselnder Polarität vorstellen. Diese werden in die Strahllinie eingebracht und lenken den Teilchenstrahl periodisch in einer transversalen Ebene ab, so dass die geladenen Teilchen in longitudinaler Richtung Energie abstrahlen.

Der in Abbildung 1 dargestellte Teststand basiert dabei auf einer Goubau-Leitung [2]. Der vom linken Horn zur rechten Platte gespannte Kupferlackdraht soll dabei den Strahl geladener Teilchen emulieren. Zur Vermessung der Undulatoren bzw. der Undulatorkomponenten werden diese nun so im Teststand platziert, dass der Kupferdraht entlang der gedachten Strahltrajektorie verläuft. Der am Horn gemessene frequenzabhängige Reflexionsfaktor wird genutzt, um die Strahlkoppelimpedanz der jeweiligen Teilchenbeschleunigerkomponente abzuschätzen.

Dieser Reflexionsfaktor ist allerdings nicht nur durch die Eigenschaften der zu testenden Struktur bestimmt, sondern wird ganz maßgeblich auch von den Eigenschaften des Teststandes (Geometrie des Horns, Abstand der Platten, Reflexion an den Platten) beeinflusst.

Im Rahmen der Arbeit soll untersucht werden, ob und wie sich die Eigenschaften des Aufbaus aus dem Reflexionsfaktor herausrechnen lassen. Dazu soll untersucht werden, ob sich dazu typische aus der Mikrowellentechnik bekannte Kalibrierverfahren prinzipiell eignen, ob diese gegebenenfalls modifiziert werden müssen/können oder ob sie in Gänze untauglich für die oben beschriebene Anwendung sind.

Die Arbeit wird von unseren Partnern M.Sc. Paul Volz und Prof. Dr. Atoosa Meseck von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und vom Helmholtz-Zentrum Berlin unterstützt.

Aufgaben

• Einarbeitung in die Themen Strahlkoppelimpedanz, Goubau-Leitungen und Grundlagen von Kalibrierverfahren aus der Mikrowellentechnik
• Erstellen eines vereinfachten Modells zur Beschreibung der Hochfrequenzeigenschaften des Teststandes
• Untersuchung des Ausbreitungsverhalten der elektromagnetischen Felder entlang der Goubau-Leitung, z. B. in Abhängigkeit der Apertur des Horns
• Bewertung der Eignung gängiger Methoden zur Kalibrierung, so dass die am Teststand gemessenen Reflexionen maßgeblich durch die Teilchenbeschleunigerkomponente determiniert sind und nicht durch die Eigenschaften des Teststandes
• Ggf. Modifikation existierender Methoden zur Kalibrierung der vom Teststand generierten Reflexionen

Schlagworte
Algorithmik, Hochfrequenztechnik, Feldsimulation, Lineare Algebra

Art der Arbeit
Bachelorarbeit, Masterarbeit (Umfang und Niveau werden entsprechend angepasst)

Betreuer
Prof. Dr.-Ing. Thomas Flisgen

Literatur
[1] P. Volz und A. Meseck, “Impedance Studies for Elliptical In-Vacuum Undulator IVUE32“, International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation, Hamburg, Germany, 2024
[2] B. Vaughn und D. Peroulis, “An updated applied formulation for the Goubau transmission line”, Journal of Applied Physics 126, 2019, https://doi.org/10.1063/1.5125141
[3] P. Volz und A. Meseck, “Goubau-Line Set Up for Bench Testing Impedance of IVU32 Components”, in Proc. IPAC’22, Bangkok, Thailand, July 2022, pp. 2719 – 2721 (https://accelconf.web.cern.ch/ipac2022/papers/thpopt053.pdf)
[4] P. Volz and A. Meseck, “Goubau-Line Set Up for Bench Testing Impedance of IVU32 Components”, J. Phys.: Conf. Ser. 2380 012026, 2022 (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2380/1/012026)

Themenbeschreibung

Teilchenbeschleuniger wie der berühmte Large Hadron Collider oder auch Synchrotronstrahlungsquellen wie z. B. BESSY II, PETRA IV und die Diamond Light Source spielen eine wichtige Rolle bei der Grundlagenforschung. Anlagen zur Teilchenkollision ermöglichen die Charakterisierung von subatomaren Teilchen, Synchrotronstrahlungsquellen sind z. B. hilfreich bei der Untersuchung und Weiterentwicklung von Solarzellen, von Katalysatoren für grünen Wasserstoff oder von Batterien.

Das Zusammenspiel von Strahlen geladener Teilchen mit der Vakuumkammer von Teilchenbeschleunigern wird im Frequenzbereich typischerweise durch die komplexwertige und frequenzabhängige Strahlkoppelimpedanz beschrieben. Die breitbandige Kenntnis der Strahlkoppelimpedanzen ist wichtig, z. B. um Strahlinstabilitäten oder eine zu hohe (lokale) thermische Belastung der Komponenten zu vermeiden. Die Abbildung 1 zeigt das durch einen Strahl geladener Teilchen angeregte elektrische Feld in einem einfachen Testresonator.

Das Vermessen von breitbandigen Strahlkoppelimpedanzen von Teilchenbeschleunigerkomponenten ist eine Herausforderung. Typischerweise werden dazu auf einem Draht basierende Teststände benutzt [1-6]. Das Einbringen eines leitenden Drahtes in die Struktur ändert allerdings ihre Hochfrequenzeigenschaften wesentlich. Einerseits kann durch den Draht eine transversalelektromagnetische Welle in longitudinaler Richtung propagieren, andererseits stellt der Draht eine nennenswerte Störung der Hochfrequenzresonanzen dar, bei denen man eine hohe longitudinale Komponente der elektrischen Feldstärke auf der Achse erwartet. Die genaue Kenntnis der Strahlkoppelimpedanzen gerade dieser Resonanzen ist jedoch besonders wichtig.

In der Literatur [7-9] werden seit kurzem Methoden zur drahtlosen Vermessung von Strahlkoppelimpedanzen vorgeschlagen. Diese Methoden kommen ohne das Einbringen eines leitenden Drahtes in die Struktur aus. Die hochfrequente Anregung erfolgt dabei jeweils durch Koppler, welche auf beiden Seiten der Struktur angebracht werden (siehe Abbildung 2). Diese drahtlosen Methoden erscheinen vielversprechend, da sie die oben genannten Nachteile der drahtgebundenen Methoden überwinden.

Im Rahmen der Arbeit sollen die Eigenschaften der drahtlosen Methoden für hochresonante und für breitbandige Beschleunigerkomponenten mit Hilfe von Feldsimulationen untersucht werden. Die auf Streuparametern basierten Ergebnisse sollen direkt mit der simulierten Strahlkoppelimpedanz verglichen werden. Vor- und Nachteile der drahtlosen Methoden sollen herausgestellt werden. Die Hürden für die konkrete Nutzung der drahtlosen Verfahren im Messlabor sollen dabei ebenfalls betrachtet werden.

Die Arbeit wird von unserem Partner Dr.-Ing. Shahnam Gorgi Zadeh von der Hochfrequenztechnikgruppe des CERNs unterstützt.

Aufgaben

• Einarbeitung in die Themen Strahlkoppelimpedanz sowie in die Literatur zu den drahtlosen Methoden zur Vermessung der Strahlkoppelimpedanzen, u. a. [7-9]
• Nachvollziehen grundlegender Simulationsergebnisse in [7-9]
• Entwurf einer resonanten und einer nicht-resonanten Teststruktur
• Erstellung elektromagnetischer Modelle beider Strukturen
• Bestimmung der Koppelimpedanzen, jeweils mit Hilfe der drahtlosen Methoden und direkt mit Hilfe eines numerischen Lösers für Strahlkoppelimpedanzen
• Vergleich der Ergebnisse und Herausarbeiten von Vor- und Nachteilen der drahtlosen Methoden, ggf. auch im Vergleich zu den auf einem Draht basierenden Methoden
• Diskussion möglicher Schwierigkeiten bei der Anwendung der Methoden im Labor

Schlagworte
Algorithmik, Hochfrequenztechnik, Feldsimulation

Art der Arbeit
Bachelorarbeit, Masterarbeit (Umfang und Niveau werden entsprechend angepasst)

Betreuer
Prof. Dr.-Ing. Thomas Flisgen

Literatur
[1] P. Volz und A. Meseck, “Impedance Studies for Elliptical In-Vacuum Undulator IVUE32”, International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation, Hamburg, Germany, 2024
[2] P. Volz und A. Meseck, “Goubau-Line Set Up for Bench Testing Impedance of IVU32 Components”, in Proc. IPAC’22, Bangkok, Thailand, July 2022, pp. 2719 – 2721 (https://accelconf.web.cern.ch/ipac2022/papers/thpopt053.pdf)
[3] P. Volz and A. Meseck, “Goubau-Line Set Up for Bench Testing Impedance of IVU32 Components”, J. Phys.: Conf. Ser. 2380 012026, 2022 (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2380/1/012026)
[4] M. P. Sangroula, R. R. Lindberg, R. M. Lill und R. Zabel, “Measuring vacuum component impedance for the Argonne Advanced Photon Source upgrade”, Phys. Rev. Accel. Beams 23, Aug. 2020, doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.23.082803
[5] S.Y. Kim, F. Stulle, C.K. Sung, K.H. Yoo, J. Seok, K.J. Moon et al.,“Characterization of the Goubau line for testing beam diagnostic instruments”, JINST 12 P12016, 2017, https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/12/p12016
[6] V. G. Vaccaro, “Coupling impedance measurements: an improved wire method”, INFN, Rep. INFN/TC-94/023, pp. 1049–1052, 1994
[7] C. Antuono, A. Mostacci, A. Passarelli, C. Zannini, M. R. Masullo, and M. Migliorati, “A wireless method for beam coupling impedance bench measurement of resonant structures”, in Proc. 15th Int. Particle Accelerator Conf. (IPAC'24), Nashville, TN, USA, May 2024, paper THPC53, pp. 3124-3127.
[8] C. Antuono, M. Migliorati, A. Mostacci, and C. Zannini, “A Wireless Method for Beam Coupling Impedance Measurements of the LHC Goniometer”, in Proc. 68th Adv. Beam Dyn. Workshop High-Intensity High-Brightness Hadron Beams (HB’23), Geneva, Switzerland, Oct. 2023, pp. 407–410., doi:10.18429/JACoW-HB2023-THAFP05
[9] C. Antuono, M. Migliorati, A. Mostacci, E. Métral und C. Zannini, “A Wireless Method to Obtain the Impedance From Scattering Parameters”, in Proc. IPAC’22, Bangkok, Thailand, Jun. 2022, pp. 2213–2216, doi:10.18429/JACoW-IPAC2022-WEPOTK063

Themenbeschreibung

Empfangs- und Sendeantennen an der Außenseite von Flugzeugrümpfen sind für verschiedenste Kommunikations-, Ortungs- und Messsysteme von Flugzeugen unverzichtbar. Sie können jedoch durch beabsichtigte und unbeabsichtigte elektromagnetische Signale gestört werden, z. B. durch die Elektronik der Passagiere in der Kabine oder fest installierte Flugzeugelektronik. Die Kopplung zwischen den Antennen auf der Außenseite des Rumpfes mit der Elektronik der Passagiere hängt maßgeblich von der Flugzeuggeometrie und von den Öffnungen des Rumpfes ab.

Ziel der Arbeit ist die Kopplung zwischen den Antennen auf der Außenseite des Rumpfes mit Antennen im Inneren des Rumpfes im Frequenzbereich von 100 MHz bis 5 GHz zu verstehen und zu quantifizieren. Da die Länge der elektromagnetischen Wellen deutlich kleiner als die Abmessungen des Rumpfes werden kann, handelt es sich um ein herausforderndes großes elektromagnetisches Feldproblem.

Um ein fundamentales Verständnis der Kopplung zu erlangen, sollen deswegen zunächst einfache numerische Modelle, wie in Abbildung 1 dargestellt, untersucht werden. Die möglichst generische Modellierung der Elektronik der Passagiere in der Kabine spielt dabei eine besondere Rolle. Das übergeordnete Ziel der Betrachtungen ist dabei die Erstellung von belastbaren Faustformeln zur Abschätzung der Kopplung zwischen der Außenantenne und den Störstrahlern in der Kabine. Die Validierung der numerischen Berechnungen sowie der analytischen Abschätzungen mit Hilfe von Hochfrequenzmessungen in Hamburg bei der Lufthansa Technik AG sind im Rahmen der Arbeit möglich.

Aufgaben

• Einarbeitung in vorhandene Literatur zum Thema Kopplung Antennen auf der Außenseite des Flugzeugrumpfes und Antennen in der Kabine
• Erstellen einfacher Modelle zur Beschreibung der hochfrequenten Kopplung zwischen einer Antenne auf der Außenseite des Rumpfes und einer Antenne im Inneren der Kabine für verschiedene Frequenzen im relevanten Bereich
• Definition einer Kopplungsmetrik, welche die konkreten Abstrahleigenschaften der Antenne in der Kabine möglichst wenig beeinflusst
• Durchführung von systematischen Parameterstudien, z. B. Variierung der Position der Antennen in der Kabine, der Größe, der Form und des Abstandes der Fenster
• Vergleich der Ergebnisse mit gängigen Worst-Case-Abschätzungen, z. B. basierend auf der Friis-Übertragungsgleichung
• Untersuchungen zur Nutzbarkeit von Gebietszerlegungsmethoden zur Verringerung von Simulationszeiten
• Definition von verbesserten Formeln zur Abschätzung der Kopplung zwischen den Antennen auf der Außenseite des Rumpfes und in der Kabine
• Validierung der Faustformeln anhand von komplexeren Modellen sowie anhand von Messungen

Schlagworte
Algorithmik, Hochfrequenztechnik, Feldsimulation

Art der Arbeit
Bachelorarbeit, Masterarbeit (Umfang und Niveau werden entsprechend angepasst)

Betreuer
Prof. Dr.-Ing. Thomas Flisgen
Dr.-Ing. Kevin Erkelenz (Lufthansa Technik AG)

Literatur
[1] M. Bachhuber, Analyse und Modellierung der Funkausbreitung in Passagierkabinen von Großraumflugzeugen, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Deutschland, 2011 (https://open.fau.de/handle/openfau/1701)
[2] G. A. Rasek et al., HIRF Transfer Functions of a Fuselage Model: Measurements and Simulations, in IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 56, no. 2, pp. 311-319, April 2014, doi: 10.1109/TEMC.2013
[3] J. Schüür and R. R. Nunes, Determination of the path loss from passenger electronic devices to radio altimeter with additional EMI test, 2012 ESA Workshop on Aerospace EMC, Venice, Italy, 2012, pp. 1-5
[4] Jay J. Ely, Electromagnetic Interference to Flight Navigation and Communication Systems: New Strategies in the Age of Wireless, NASA Technical Report, 2005 (https://ntrs.nasa.gov/citations/20050232846)
[5] Adolf J. Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2011, doi: 10.1007/978-3-642-16610-5